獨立基礎加防水板與筏板基礎選型的比較

毛紅華

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

0 引言

地基承載力和地下水位較高地區，帶地下室的多層建筑物基礎經常采用獨立柱基礎加防水板形式。這種基礎形式與帶柱帽的平板筏板基礎在構造上相似，設計人員經常容易混淆。兩者主要的區別在于底板計算的假定，根據底板是否承載上部荷載來確定是獨立基礎或筏板基礎：獨立基礎的防水板只承受地下水的浮力作用，上部荷載全部由獨立基礎（與筏板基礎的柱帽部分類似）承受，當地下水水位低于底板時底板不受力；筏板基礎的底板和柱帽部分則一起承受上部全部荷載，荷載分布與地基的基床系數等有關，工程中一般偏安全按直線假定分布。筏板底板全部反力與上部荷載平衡，因此底板的反力與地下水位無關，只與底板面以上荷載總值有關。理想的獨立基礎加防水板形式防水板下應懸空，不與土壤接觸，板純粹承受水浮力和地下室荷載作用，然而實際施工時因支模等原因很難做到，因此需要采取構造措施減小土對底板的反力作用，避免在荷載作用下板破壞。

1 地基承載力修正的不同

式（1）為《地基規范》對地基承載力特征值修正，符號意義見規范5.2.4。式中，b為基礎寬度，顯然對筏板基礎可取b＝6 m（一般建筑物寬度均大于6 m），對獨立基礎b應取圖1中的b’。d為基礎埋深，對筏板基礎取圖1中的h1，對獨立基礎應取圖1中的h2。一般情況下h1遠大于h2，即地基承載力的修正按筏板基礎比按獨立基礎修正值大。對地基承載力不高的基礎應優先采用筏板基礎。

圖1 兩種基礎示意圖

2 沖切計算所需的基礎高度的不同

抗沖切所需要的基礎有效高度h0應滿足下式要求(見圖 2)：

式中符號意義見《混凝土規范》（7.7.1-1）。

Fl=N-N1

式中N為柱底荷載，N1為沖切錐體范圍內地基反力。

由圖1及圖2可知，筏板基礎假定上部荷載均布于基礎面積，而獨立基礎則荷載全部作用于柱底周邊，在同樣的上部布置情況下，筏板底的地基反力N1明顯小于獨立基礎下的N1,即沖切荷載對筏板基礎而言明顯大于獨立基礎時的情況，也即采用筏板時柱下所需的柱帽高度明顯大于按獨立基礎時的基礎高度,地基承載力越高兩者之間差異越大。

圖2 沖切計算簡圖

3 底板受力所需的厚度不同

采用獨立基礎加防水底板形式時，根據計算假定，底板僅承受水浮力作用，當地下水位低于板底面時，可采用構造配置;而筏板基礎則底板需承受全部上部荷載的作用，底板反力和地下水位無關。筏板的板厚一般不小于0.25 m且由抗彎和抗剪計算確定，柱帽部分由柱的抗沖切承載力確定。

3.1 按抗彎承載力選取筏板板厚

帶柱帽的筏板可按彈性地基板采用有限元法計算筏板內力。當地基均勻，上部結構剛度較好且柱網及柱荷載均相差不大時，可采用倒樓蓋法，劃分柱上板帶和跨中板帶簡化計算[3]。

3.2 按抗剪承載力計算筏板板厚

式中為筏板下均布荷載（kN/m2），其余符號意義見圖3所示。

3.3 獨立基礎的最大基礎彎矩和剪力

獨立基礎的基礎內力可按《建筑地基基礎設計規范》（8.2.7-4）及（8.2.7-5）式計算，此處不贅述。

圖3 抗剪計算簡圖

4 算例分析

4.1 算例1

某8 m×8 m柱網建筑物，地下室埋深3 m，樓面荷載設計值16 kN/m2，柱截面尺寸800×800，地基承載力特征值300 kN/m2,寬度修正系數ηb=2.0,深度修正系數ηb=3.0，土容重20 kN/m3,無地下水，基礎混凝土標號C30，分別按不同層數設計筏板基礎和獨立基礎加防水板基礎。柱底軸力N=16×8×8×n＝1 024·n(kN)（n為層數）,為便于比較不考慮彎矩的影響,取柱下獨立基礎長寬比為1.0。

4.1.1按筏板設計

（1）地基承載力修正值:按式（1）,將相應系數代入，可得：fa=570 kN/m2；（2）按柱抗沖切確定柱帽有效高度（暫不考慮截面高度影響系數的影響）。基底反力：P1=16n（kN/m2）底板抗沖切力：

Fl=0.7ηumh0=0.7×(0.8+h0)×4×h0（kN）基底抗沖切錐體承受荷載設計值：

N1=16n×（0.8＋2h0）2（kN）

令N=1 024 n=Fl+N1

將上述各式代入則可得出層數不同時柱下最小有效高度及柱帽寬度（假定柱帽寬度為沖切錐體外每邊各 0.3 m）,則柱帽寬度為：0.8＋2h0＋0.6。

（3）按抗剪確定底板有效厚度h0：

按式（3）,VS＝(4-0.4-h0)×16n

將f1=16n,l1=l2=8 m,a=0.8 m代入可得：16n×(3.6-h0)=0.7×1.43×8×h0

根據上式可得不同的層數n所對應的h0。（4）筏板柱上板帶最大負彎矩：

劃分板帶，計算柱上板帶最大彎矩。

M1=M0/4(板帶寬4 m),M0為該方向上的總彎矩。

M0=0.5×1/8×P1×8×(8-2c/3)2

式中：c為柱帽寬度,P1=16n(kN/m2)。

（為便于比較，彎矩計算中未考慮底板自重及底板上荷載的影響）

4.1.2按獨立基礎設計所采用的基礎高度與基礎寬度及內力

（1）按獨立基礎設計時地基承載力修正值：

按獨立基礎，寬度修正采用的基礎寬度不超過6 m，在基礎高度小于3 m時地基承載力修正值均小于按筏板計算值，可見一般情況時，采用獨立基礎時地基承載力修正值遠小于按筏基的修正值。

（2）基礎高度h0和寬度b的確定：

根據修正后的地基承載力及柱軸力標準組合可確定基礎的寬度，基礎有效高度h0根據抗沖切要求確定。本例中按軸力N設=1 024 n(kN)，NK=N/1.25來計算獨立基礎的底面尺寸和高度。

（3）基礎內力：

獨立基礎的最大彎矩根據《地基規范》8.2.7-4式計算。

按筏板基礎設計和獨立基礎加防水板設計對比見圖4所示。

圖4 筏基與獨基計算對比圖

4.2 算例2

設地下水水位高2 m，其余同上例。

（1）筏板基礎:根據力的平衡條件，筏板基礎底板總反力不變，板內力同無地下水時的情況。

（2）設獨立基礎的防水板厚0.30 m，則板所受的標準荷載為：q=20-25×0.3=12.5（kN/m2）（↑）。

同樣可根據力的平衡原則計算出所需的獨立基礎面積和高度，顯然有地下水時獨立基礎面積和高度均小于無地下水時的情況,與筏板相比更加經濟。

5 構造處理

如圖1所示，筏板基礎柱下擴大部分與板相連處一般采用45°變截面保證應力連續過渡，而獨立基礎加防水板形式則在防水板下加聚苯板或松散爐渣，保證防水板不承載地基反力，防水板板厚可根據地下水水位計算確定，當沒有地下水時可根據構造要求采用200～300 mm。

6 結論

（1）采用筏板基礎時地基承載力修正值遠大于按獨立基礎時的承載力值；當樓層較多或荷載較大時應優先采用筏板基礎。

（2）筏板基礎的底板內力與地下水位無關，一般情況下筏板彎矩值大于獨立基礎底板的彎矩值，當柱帽擴大至一定程度后兩者彎矩接近。

（3）筏板基礎的底板要滿足在上部荷載作用下的計算和構造要求，而獨立基礎的防水板受力只與地下水位相關，底板受力遠小于筏板；從經濟性考慮在地基承載力滿足要求的情況下應優先選用獨立基礎加防水底板的形式。

（4）確定基礎選型后要采用與計算假定相對應的構造形式，避免似是而非的構造。

[1]GB50007-2002，建筑地基基礎設計規范[S].

[2]GB50010-2002，混凝土結構設計規范[S].

[3]全國民用建筑工程設計技術措施（結構分冊）[M].北京：中國計劃出版社,2003.

[4]朱丙寅.獨立柱基加防水板基礎設計方法的分析 [J].建筑結構，2001，31(11)：51-53.